本研究由同济大学环境科学与工程学院、长江水环境教育部重点实验室、污染控制与资源化研究国家重点实验室的朱浩辰（Haochen Zhu）课题组主导完成，第一作者为孟春春（Chunchun Meng），合作者包括法国雷恩大学物理研究所（IPR）的Aziz Ghoufi等。论文于2026年5月7日在线发表于Journal of Membrane Science第753卷，题为“Tannic acid-assisted MoS₂/sodium alginate loose composite membranes via interfacial polymerization and self-crosslinking for dye/salt separation”。该研究属于膜分离科学与技术领域，聚焦染料脱盐过程中疏松复合膜的结构调控与传质机制解析。

纺织印染废水同时含有无机盐和难降解大分子有机染料，传统生物处理效率低下。实现染料与盐的高效分离不仅有利于资源回收，也是推动循环经济的关键环节。基于聚合物纳米复合膜的过滤技术被认为是染料/盐分离的有效路径之一，但高性能膜需要在染料截留率、盐渗透率、水通量、长期运行稳定性与抗污染能力之间取得平衡。复合膜的皮层（选择性层）决定了溶质进入屏障与传质路径，也直接影响膜表面荷电染料/盐的静电排斥与吸附行为。当前两种典型皮层构建策略分别为：在皮层与多孔支撑层之间引入纳米材料中间层形成“三明治”结构，以及利用纳米材料辅助自组装制备水凝胶选择性层。然而，中间层通常依赖物理堆积导致界面结合弱，水凝胶层则难以同时保证抗溶胀性与机械性能。此外，同一纳米材料在不同皮层构建策略中的差异调控缺乏系统研究，染料/盐分离机制也常被简化为单一因素驱动，缺乏定量区分多位点作用力的框架。

针对上述问题，该研究选用单宁酸（tannic acid, TA）辅助海藻酸钠（sodium alginate, SA）超声剥离得到的TS-MoS₂纳米片作为唯一功能纳米材料，在聚醚砜（polyethersulfone, PES）超滤基膜上首先构建TS-MoS₂中间层，随后分别采用两种策略构建疏松选择性皮层：一是通过β-环糊精（β-cyclodextrin, β-CD）与均苯三甲酰氯（trimesoyl chloride, TMC）的界面聚合（interfacial polymerization, IP）反应形成聚酯层，所得膜记为I-LM；二是通过Ca²⁺配位自组装形成水凝胶层，所得膜记为I-HM。研究系统比较了两种膜在微观结构、亲疏水性、表面电荷、界面稳定性方面的差异，并在多种染料-盐混合体系中评价其分离性能、溶液渗透通量、长期稳定性与抗污染性能。同时利用空间位阻-静电-介电排斥（steric, electric, and dielectric exclusion, SEDE）模型定量解析综合性能更优的水凝胶复合膜的跨膜传质行为，区分空间位阻、道南排斥（Donnan exclusion）与介电排斥对优先盐传输和染料截留的相对贡献，并进一步阐明盐价态与离子强度变化对孔内分配与迁移行为的影响。

在材料制备与表征方面，TS-MoS₂纳米片通过TA辅助SA超声剥离获得，透射电镜显示纳米片几乎透明，晶格条纹间距约0.66 nm。I-LM膜表面相对光滑致密，粗糙度参数Rq为21.0 nm，Ra为17.1 nm；I-HM膜表面呈多孔海绵状结构，Rq达95.1 nm，Ra为63.7 nm。X射线衍射（XRD）表明，SA与部分进入TS-MoS₂层间的β-CD形成规则晶体结构，I-LM膜在2θ=19.2°和24.3°附近出现宽衍射峰；而“钙桥”三维网络使I-HM膜中TS-MoS₂层间距进一步扩大，衍射峰移至更低角度18.5°。静态水接触角显示I-LM为43.1°，I-HM为35.9°，均低于PES基膜，表明亲水性有效增强。Zeta电位测试表明，I-HM膜表面在pH 7时具有更强的负电荷（−31 mV），归因于SA羧基更高的暴露密度与解离程度。衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）在3337 cm⁻¹处出现新峰，证实TS-MoS₂中间层及功能层的成功负载；I-HM膜在1595 cm⁻¹和1429 cm⁻¹处出现羧基振动特征峰。X射线光电子能谱（XPS）证实I-HM膜表面存在Ca元素，C 1s高分辨谱显示I-LM膜以β-CD脂肪碳环骨架为主，而I-HM膜则呈现更强的C–O与O–C–O键特征峰，证实其分离层中SA分子的高密度醚键与羧基。

在染料/盐选择性分离性能测试中，两种膜对含二价阴离子盐（Na₂SO₄）的截留率均高于单价盐（NaCl），这源于离子价态、水合半径与道南排斥的协同作用。随着盐浓度升高，Na₂SO₄截留率呈轻微下降趋势，染料截留率同步降低，主要归因于高离子强度引发的电荷屏蔽效应和浓度极化效应。在染料浓度递增的混合体系中，染料截留率反而升高，这归因于染料分子向膜表面的传输通量增强，界面传质限制被放大。I-HM膜在多种染料-盐混合体系中表现出更优的分离性能，染料截留率≥94.6%，盐截留率≤12.8%，同时维持高通量（>59.3 L m⁻² h⁻¹·bar⁻¹）。对于四种染料（刚果红、甲基橙、亚甲基蓝、结晶紫）和四种无机盐（NaCl、Na₂SO₄、MgCl₂、MgSO₄），I-HM膜均实现了更高染料截留率与更低盐截留率，其中纯水渗透通量达81.8 L m⁻² h⁻¹·bar⁻¹。值得注意的是，I-LM膜对亚甲基蓝（methyl blue, MB）和刚果红（Congo red, CR）截留较高，但对甲基橙（methyl orange, MO）和结晶紫（crystal violet, CV）截留明显偏低，而I-HM膜对四种染料均保持高截留率，说明分离行为主要受染料-膜特异性相互作用而非简单孔径筛分控制。

在稳定性与抗污染测试中，一周连续过滤实验表明两种膜在MB与不同盐组成的三种二元混合体系中均表现稳定，染料截留率随时间略有上升（约1%），盐截留率小幅上升（<14.5%），溶液渗透通量仅有限下降。I-HM膜的通量衰减更慢、盐截留率增幅更小，表明其对运行中形成的附加阻力层更不敏感。此外，I-HM膜在pH 5、7、9条件下浸泡24 h后Ca²⁺溶出极低，证实交联水凝胶层具有优异结构稳定性。以牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）为模型有机污染物的动态污染实验显示，经过6.5 h累积运行，I-LM与I-HM膜的归一化通量分别下降15.1%和4.3%。循环污染-物理冲洗实验表明，I-HM膜的可逆污染占主导，不可逆污染比（rir）仅为5.7%，通量恢复率（frr）达95.3%；而I-LM膜的rir高达15.2%，frr仅为84.8%。第三次物理冲洗后，I-LM膜通量恢复率衰减至85.0%，I-HM膜仍保持96.0%。该差异源于SA-Ca²⁺水凝胶网络的有序排列暴露大量羧基，赋予I-HM膜更强亲水性与强负电表面，通过致密水化层与静电排斥协同抑制BSA不可逆沉积。

在传质机制定量分析中，SEDE模型将跨膜过程描述为“界面分配—孔内迁移”两步，整合空间位阻、道南排斥和介电排斥效应。模拟结果表明，I-HM膜等效纳米通道内溶质浓度沿孔长并非单调变化，而是在l≈0.5附近出现对溶质再分布与电化学梯度高度敏感的“临界截面”。该区域电位急剧变化，形成高度局域化的内建电场，导致染料与盐离子在该处发生浓度跳变与传质阻力集中。在NaCl-MB体系中，Na⁺作为反离子在孔入口侧富集以屏蔽部分固定负电荷，Cl⁻作为共离子受道南排斥而整体分布较低；MB在l≈0.5附近呈“山峰状”峰并在出口端陡降。随着NaCl浓度升高，孔内峰值电场降低，源于离子强度增大缩短德拜长度、反离子更易屏蔽固定电荷、有效道南电位下降。在Na₂SO₄-MB体系中，二价离子与MB孔内浓度更低而孔内电场更强，因为SO₄²⁻作为二价共离子在负电纳米通道内经历更强道南排斥，同时SEDE模型中的介电排斥对高价离子更敏感（Born能量与zᵢ²成正比）。通过扩展Nernst-Planck方程对扩散、对流和电迁移分量的定量显示，Na⁺的对流项在l≈0.5处急剧下降，扩散与电迁移项在该区域呈现强烈空间局域化的峰谷变化；Cl⁻/SO₄²⁻则呈镜像峰型，源于其相反电荷与更强的补偿调节作用。MB的电迁移项在l≈0.5处出现负迁移，表明电迁移对MB传输起阻碍作用，但因孔内MB浓度极低（≪1 mmol/L），其扩散、对流和电迁移项的绝对值几乎为零。在恒定背景盐度下增加进料MB浓度，孔内MB浓度相应升高，但钠离子分布与孔内电场基本不变，说明ppm级MB浓度变化对无机离子分布影响可忽略。然而模拟未显示染料/盐截留率随MB浓度增加而轻微上升，这是因为孔模型未显式纳入吸附堆积、动态孔收缩和浓差极化等界面/结构演化效应。

该研究的核心结论是，TS-MoS₂纳米片在不同皮层构建策略中发挥截然不同的作用。在I-LM膜中，TS-MoS₂主要作为被动中间层提供二维层间传质通道和机械支撑；而在I-HM膜中，TS-MoS₂纳米片作为结构单元，通过SA嵌入层间与Ca²⁺形成“钙桥”交联，将二维纳米片转变为三维多孔水凝胶框架。该凝胶网络创造了更多互连且曲折的传质路径，使I-HM膜在保持与I-LM膜相当染料选择性的同时，为水与盐离子提供更低阻力、更丰富通路的传输网络。SEDE模型定量揭示了染料/盐选择性并非简单的孔径筛分，而是空间位阻、道南排斥与离子进入低介电受限纳米通道时产生的能量屏障三者的耦合调控结果。该研究为染料脱盐用疏松复合膜的设计与策略选择提供了可验证的构建策略和可量化的机制框架，其科学价值在于首次系统比较了同一纳米材料在界面聚合调控与离子配位自组装两种构层策略下的结构调控差异及其对分离性能的影响，应用价值在于所制备的I-HM膜在多种染料-盐体系中实现了高染料截留率（最高99.4%）、低盐截留率（最低6.8%）与高溶液渗透通量（最高79.6 L m⁻² h⁻¹·bar⁻¹）的优化平衡，并展现出优异的长期运行可靠性与抗污染能力，在纺织印染废水处理和资源回收领域具有应用潜力。